ЕСТЕСТВЕННОЕ ЭЛЕКТРЕТНОЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

Е.Т.КУЛИН

ЕСТЕСТВЕННОЕ ЭЛЕКТРЕТНОЕ СОСТОЯНИЕ

БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

Краткое изложение монографии

ВВЕДЕНИЕ

Жизнедеятельность эукариотической клетки обеспечивают целесообразные движения внутри нее белковых молекул, белковых надмолекулярных образований и субклеточных элементов, процессы избирательного переноса молекул и ионов через ее плазматическую (внешнюю) мембрану, а также процессы сборки-разборки белковых структур. Совокупность этих движений и процессов названы биомеханикой клетки. Согласно современным представлениям движущей силой клеточной биомеханики являются тепловое движение и электростатические взаимодействия между белковыми молекулами и надмолекулярными образованиями. Эти взаимодействия осуществляются посредством электрических полей, которые создают связанные электрические заряды, возникающие в результате диссоциации ионогенных групп белковых молекул.

В монографии систематизированы факты и теоретические положения, которые свидетельствуют о том, что наряду с электрическими полями указанного происхождения живой клетке присущ источник сильного электрического поля, напряженность которого во внутриклеточном пространстве достигает величины порядка миллионов В/м. Это поле выходит за пределы клетки и, в частности, в воздухе в зоне 20 мм от клеток базального слоя эпидермиса человека его средняя напряженность имеет значения порядка тысяч В/м. Результаты изучения динамики напряжения этого поля у людей, животных и растений и характера его термозависимости, а также термозависимости коррелирующих с ними электрических токов позволили обосновать следующее положение: генерация этого поля обусловлена естественным электретным состоянием белковых структур живых клеток. Это состояние названо биологическим электретным состоянием (биоэлектретное состояние), так как оно зависело от процессов клеточного метаболизма. Соответственно создаваемое им поле названо биоэлектретным полем. В монографии показано, что биоэлектретное поле является движущей силой клеточной биомеханики и силовым фактором ряда биологических процессов: трансмембранного движения ионов, водного обмена клетки и других процессов, связанных с перемещением клеточных элементов. В монографии обосновано, что постоянно текущие в живых тканях человека, животных и растений электрические токи, преимущественно называемые постоянными токами, представляют собой ионные потоки, текущие по градиенту напряжения биоэлектретного поля. Таким образом, постоянные токи – это атрибут биоэлектретного поля. Центральное положение в монографии занимает экспериментальное и теоретическое обоснование существования естественного электретного состояния белковых молекул, благодаря которому они преобразуют химическую энергию в электрическую и обеспечивают активное состояние молекулярных механизмов жизнедеятельности клетки. В заключительной главе монографии содержится обзор результатов исследования топографии и динамики величин напряженности биоэлектретного поля у практически здоровых людей в состоянии спокойного бодрствования и при психоэмоциональном и физическом напряжении.

1.     ЭЛЕКТРЕТНЫЙ И БИОЭЛЕКТРЕТНЫЙ ЭФФЕКТЫ

Электретами называют твердотельные диэлектрики и полупроводники, которые под воздействием сильного электрического либо магнитного поля, коронного разряда, гамма-излучения и других энергетических факторов приобрели способность длительно (месяцы, годы) генерировать сравнительно сильное электрическое поле. Наряду с полем электретам присущ весьма слабый электрический ток, который течет по градиенту напряжения поля. Этот ток, многократно возрастающий при нагревании электрета, называют термостимулированным током (ТСТ). Совокупность проявлений электрета:  электрическое поле и ТСТ, – называют электретным эффектом. Обнаружение этого эффекта в исследуемом объекте свидетельствует о том, что ему присуще состояние, свойственное электретам, т.е. электретное состояние.

В 1973 году Э.Менефи сообщил, что в образцах игл дикобраза он обнаружил ТСТ и идентифицировал его как свидетельство естественного электретного состояния биологических тканей. В этом же году мною опубликовано сообщение о существовании у человека неизвестного ранее сравнительно сильного электрического поля, которое было идентифицировано мною как признак естественного электретного состояния живых тканей. Учитывая зависимость генерации этого поля от тканевого метаболизма, обнаруженное явление названо биологическим электретным эффектом (биоэлектретный эффект), а его полевой компонент – биоэлектретным полем. В дальнейшем, исходя из величин напряженности биоэлектретного поля, которое создают клетки базального слоя эпидермиса человека, определено, что внутри этих клеток величина напряженности поля имеет значения порядка  10⁶ В/м. При измерении напряженности электрического поля внутри живой клетки посредством нановольтметра диаметром 30 нм, веденного в цитоплазму, определена его напряженность порядка 10⁷ В/м.

Таким образом, в 1973 году было обнаружено естественное электретное состояние биологических тканей по наличию у них в прижизненном состоянии сравнительно сильного электрического поля, а в мертвом состоянии по наличию ТСТ.

Иглы дикобраза состоят из белка кератина. Из этого факта следовало, что с большой вероятностью белковые компоненты биологических тканей ответственны за их естественное электретное состояние. Подтверждение этого получено в экспериментах: белок коллаген, выделенный из костей и сухожилий, под воздействием сильного электрического поля переходит в электретное состояние. В дальнейшем было установлено, что коллагену без каких-либо внешних воздействий свойствен ТСТ, т.е. ему присуще естественное электретное состояние.

Вследствие высокой напряженности биоэлектретного поля и сравнительно большой электропроводности в живых тканях по градиенту напряжения биоэлектретного поля текут ионные токи, плотность которых составляет величины порядка 10^-6 А/см². Эти токи в живой ткани обнаружены в середине XIX столетия и известны под названиями: постоянный ток (ПТ), электрический потенциал живых тканей, потенциал градиента основного обмена, омега-потенциал и др.. Изменения силы и направления течения ПТ коррелируют с изменениями величины и знака напряженности биоэлектретного поля. Это свидетельствует о том, что ПТ – это атрибут биоэлектретного поля.

Таким образом, естественное электретное состояние живых и мертвых биологических тканей обусловлено естественным электретным состоянием их белков. Проявления этого состояния, т.е. биоэлектретный эффект, включает следующие компоненты: сравнительно сильное электрическое поле, термостимулированный ток (ТСТ) и постоянный электрический ток (ПТ).

2.     ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОСНОВА БИОЭЛЕКТРЕТНОГО ЭФФЕКТА

Группа бразильских ученых экспериментально установила, что субстратом, ответственным за электретное состояние белков, является связанная ими вода. Эта вода образует гидратную оболочку белковой молекулы и состоит из адсорбционного пласта толщиной не более одного нм, содержащего неподвижные молекулы, и из диффузионного пласта толщиной 2-3 нм, содержащего подвижные молекулы. В обоих пластах имеются свободные ионы. Адсорбционный пласт молекул воды формируется в дипольном электрическом поле, которое образовано благодаря суперпозиции полей пептидных связей полипептидной цепи (далее поле полипептидной цепи). Дипольные моменты пептидных связей равны 3.4 – 3.5 Д. Полярные молекулы воды (дипольный момент 1,8 Д) в процессе адсорбции на полипептидной цепи ориентируются осями своих электрических диполей вдоль вектора напряженности поля полипептидной цепи и занимают на ней анизотропное расположение. Вследствие этого суммарные дипольные моменты белковых молекул имеют величины от нескольких десятков до тысяч Д.

В белковой молекуле через межфазную границу полипептидной цепи со связанной водой движутся электрические заряды в соответствии с правилом Кена: в фазу с меньшей диэлектрической проницаемостью (в данном случае полипептидная цепь) смещаются отрицательные заряды и соответственно в фазе с большей диэлектрической проницаемостью (данном случае вода) образуется избыток положительных зарядов. Благодаря этому в гидратной оболочке белковой молекулы создается двойной электрический слой (ДЭС). На границе раздела адсорбционного и диффузионного пластов ДЭС существует разность электрических потенциалов, называемая дзета-потенциал (среднее значение 0,1 В). Вектор напряженности электрического поля пластов ДЭС направлен перпендикулярно к границе их раздела. Далее это поле будет называться полем ДЭС.

Как отмечено выше, связанная вода гидратной оболочки белковой молекулы находится в естественном электретном состоянии. Это состояние и его проявления, т.е. сильное электрическое поле и ТСТ, позволяет объяснить ионная теория электретов, суть которой следующая.

В веществе твердых диэлектриков содержится некоторое количество ионов. Об этом свидетельствует их ионная проводимость. Благодаря высокой активности и подвижности, ионы взаимодействуют со стационарно расположенными молекулами диэлектрика и образуют с ними ион-молекулярные комплексы (ИМ-комплексы), в частности, типа анион-молекула-катион и катион-молекула-анион. Эти комплексы, поглощая достаточные по величине кванты энергии из окружающей среды, распадаются с образованием анион-катионных и катион-анионных пар (квазидиполи). При суперпозиции полей квазидиполей создается интегральное поле, величина напряженности которого зависит от их расположения в пространстве. При хаотичном (изотропном) расположении квазидиполей напряженность их интегрального поля мала, так как происходит взаимная компенсация их полей. При анизотропном (упорядоченном) расположении квазидиполей при суперпозиции их полей создается интегральное поле весьма большой напряженности.

Квазидиполи, возникающие при распаде ИМ-комплексов, существуют в течение времени максвелловой релаксации свободных зарядов. А затем вследствие рекомбинации составляющих их разноименных ионов образуются электрически нейтральные молекулы и наряду с ними при взаимодействии ионов с молекулами – ИМ-комплексы. Следовательно, в твердом диэлектрике самопроизвольно текут процессы образования и распада ИМ-комплексов.

Под воздействием энергетических факторов, указанных в 1-ой главе, в веществе твердых диэлектриков часть молекул поворачивается и занимает анизотропное расположение. При взаимодействии с ними ионов образуются анизотропно расположенные ИМ-комплексы, при распаде которых образуются анизотропно расположенные квазидиполи. В результате суперпозиции полей этих квазидиполей создается сильное интегральное электрическое поле – характерное проявление электретного состояния вещества. Процессы распада анизотропно расположенных ИМ-комплексов и как следствие этого генерация электрического поля, т.е. электретного поля, продолжается до исчерпания в диэлектрике анизотропно расположенных ИМ-комплексов. Из описанного процесса генерации электретного поля следует, что энергия, затраченная на диссоциацию ИМ-комплексов, преобразуется в энергию возникающего при этом электрического поля.

Описанный процесс генерации электретного поля может длиться неограниченно долго при условии наличия анизотропно расположенных молекул, свободных ионов и квантов энергии, достаточных по величине для диссоциации ИМ-комплексов. Такое условие существует в гидратной оболочке белковой молекулы. Ее адсорбционный пласт состоит из неподвижных анизотропно расположенных молекул воды. При этом нарушение их анизотропного расположения тотчас же устраняется благодаря действию поля полипептидной цепи. В этом же пласте есть свободные ионы, которые высвобождаются при диссоциации ИМ-комплексов. Как следует из ионной теории, наличие анизотропно расположены молекул и свободных ионов необходимо и достаточно для самопроизвольного образования анизотропно расположенных ИМ-комплексов, а наличие при этом квантов энергии, достаточных по величине для их распада, обусловливает генерацию электретного поля.

Таким образом, ионная теория электретов позволяет создать представление о физико-химической основе естественного электретного состояния связанной воды в гидратной оболочке белковой молекулы и генерации при этом электретного поля.

Кванты энергии, достаточные для диссоциации ИМ-комплексов в гидратной оболочке белковой молекулы, могут поступать в нее при фосфорилировании ее полипептидной цепи. Процесс фосфорилирования сопряжен с гидролизом аденезинтрифосфата (АТФ), в результате которого выделяется энергия порядка 40 – 60 кДж/моль. При этом на одну белковую молекулу в среднем приходится 0,52 эВ. ИМ-комплексы в зависимости от их прочности диссоциируют при поглощении квантов, энергия которых лежит в пределах 0,09–1,7 эВ. Следовательно, при фосфорилировании полипептидной цепи в ее гидратной оболочке будут распадаться ИМ-комплексы, энергия диссоциации которых имеет величину 0,52 эВ и меньшую. При этом образуются квазидиполи, при суперпозиции полей которых создается сильное интегральное поле – характерный признак электретного состояния вещества. Это состояние в живой белковой молекуле, т.е. в молекуле, включенной в процесс фосфорилирования ее полипептидной цепи, является отличительной чертой биоэлектретного состояния и соответственно механизма генерации биоэлектретного поля.

Таким образом, механизм генерации биоэлектретного поля принципиально аналогичен механизму генерации электретного поля. Его отличительная особенность – это преобразование как тепловой энергии, так и химической энергии в энергию электрического поля.

Процесс фосфорилирования полипептидной цепи белковой молекулы сопряжен с процессом дефосфорилирования. Из этого следует, что процесс фосфорилирования одной и той же белковой молекулы может повторяться многократно и обеспечивать генерацию биоэлектретного поля. Только прекращение фосфорилирования полипептидной цепи белковой молекулы и прекращение поступления в ее гидратную оболочку квантов энергии, достаточной для диссоциации ИМ-комплексов, повлечет остановку генерации биоэлектретного поля.

Для непрерывного функционирования механизма генерации биоэлектретного поля необходимо, чтобы к моменту прекращения генерации поля квазидиполями, образовавшимися в результате предшествующего акта фосфорилирования, произошел его очередной акт. Согласно ионной теории время генерации поля квазидиполем соответствует времени максвелловой релаксации свободного заряда. Следовательно, в момент исчерпания этого времени или немного раньше должен произойти очередной акт фосфорилирования, чтобы продолжалась генерация поля. Частота актов фосфорилирования зависит от степени активности фермента протеинкиназы. Молекулы ферментов способны совершать от нескольких тысяч до нескольких миллионов каталитических актов в течение 1 секунды, т.е. один акт длится от 0,1 до 0,001 мс. Время максвелловой релаксации свободного заряда в белке составляет величину порядка 1.0 мс. Следовательно, за это время совершается 1000 каталитических актов. Если один каталитический акт порождает один квазидиполь, то за время максвелловой релаксации свободного заряда образуется 1000 квазидиполей.

Согласно ионной теории источником электретного поля является квазидиполь, т.е. пара автономных разноименных ионов, каждый из которых содержит один или два элементарных электрических заряда. Элементарный электрический заряд создает поле, напряженность которого на расстоянии 0,1 нм имеет величину порядка 10⁹ В/м, убывающую обратно пропорционально второй степени расстояния. Из этого следует, что в сфере радиусом 10 нм она составит величину, равную 10⁵ В/м.

Если скорость фосфорилирования белка принять равной 10⁵ каталитическим актам в секунду и при этом вследствие диссоциации ИМ-комплекса образуется один квазидиполь, то за одну секунду в гидратной оболочке белковой молекулы образуется 10⁵ квазидиполей. За время максвелловой релаксации свободного заряда в белке, равного 1 мс, количество образовавшихся диполей будет в 1000 раз меньше, т.е. будет равно 100. При суперпозиции полей этих диполей в сфере радиусом 10 нм образуется интегральное поле, напряженность которого составит величину, равную 10⁷ В/ м. Очевидно, что при большем количестве каталитических актов в секунду и возникновении в одном акте более одного квазидиполя величина напряженности биоэлектретного поля будет возрастать. В частности, в случае максимальной активности фермента протеинкиназы при длительности каталитического акта 0,001 мс за время максвелловой релаксации свободного заряда, равном для белка 1,0 мс, произойдет 1000 каталитических актов. Если вследствие одного акта распадется один ИМ-комплекс и соответственно возникает один квазидиполь, то за время 1,0 мс образуется 1000 квазидиполей. При суперпозиции их полей в сфере радиусом 1,0 нм напряженность их интегрального поля составит величину порядка 10⁹ В/м. (В сфере радиусом 0,1 нм элементарный электрический заряд одного из ионов квазидиполя создает поле один миллиард В/м. Соответственно при суперпозиции полей 1000 элементарных зарядов квазидиполей образуется интегральное поле напряженностью 10¹² В/м. В сфере радиусом 1,0 нм напряженность этого поля составит величину порядка 10¹⁰ В/м вследствие уменьшения ее с расстоянием.)

Таким образом, суть физико-химической основы биоэлектретного эффекта составляет молекулярный механизм генерации биоэлектретного поля, разработанный на основе ионной теории электретов.

3.     БИОЭЛЕКТРЕТНОЕ ПОЛЕ – ДВИЖУЩАЯ СИЛА КЛЕТОЧНОЙ БИОМЕХАНИКИ

Из результатов экспериментальных и теоретических исследований, изложенных в 1 и 2 главах, следует, что белковые молекулы, включенные в процесс фосфорилирования–дефосфорилирования, генерируют электрическое поле, напряженность которого в сфере радиусом 10 нм имеет напряженность порядка 10⁷ В/м. Такие величины напряженности поля достаточны для влияния на активность ферментов, удержания в стационарном расположении и перемещении субклеточных элементов и клеток. Излагаемые ниже факты подтверждают это положение. В первую очередь описаны те явления, которые свидетельствуют об участии биоэлектретного поля в качестве движущей силы клеточной биомеханики и доступны визуальному наблюдению с помощью светового микроскопа.

Ведущая роль во внутриклеточном движении принадлежит цитоскелету. Цитоскелет эукариотической клетки состоит из трехмерной белковой сети, погруженной в цитозоль, и белковой пластины, расположенной под плазматической мембраной и называемой кортексом клетки. Элементы цитоскелета состоят из актиновых филаментов (АФ), промежуточных филаментов и микротрубочек (МТ). Элемент цитоскелета, состоящий из пучка АФ, называемый фибриллой, оказывает силовое дистанционное действие на белковую микрочастицу (микросому), которое можно наблюдать с помощью микроскопа в капле цитоплазмы, выделенной из клетки водоросли Nitella flexlis. Микросома, совершая броуновское движение, приближается к фибрилле и на расстоянии нескольких микрометров от нее прекращает броуновское движение, затем сближается с фибриллой и скользит вдоль нее. Покинув сферу действия силового поля фибриллы, микросома возобновляет броуновское движение. Следует отметить, что при этом фибрилла движется в противоположном направлении по отношению к движению микросомы.

Характер описанного движения микросомы вблизи фибриллы, бесспорно, свидетельствует об их дистанционном силовом взаимодействии, которое осуществляет биоэлектретное поле белковых молекул, составляющих структуру АФ и микросомы.

Действие биоэлектретного поля конструкций из АФ проявляется на значительном расстоянии в масштабе клетки. Так, на поверхности кортекса клетки водоросли мужоции вблизи ее единственного хлоропласта образуется конструкция из АФ в виде бугорков, силовое дистанционное действие которых поворачивает хлоропласт на 90 градусов, т.е. его край смещается на 45 мкм от бугорков, если учесть диаметр клетки, равный 60 мкм.

Биоэлектретное поле элементов цитоскелета выходит за пределы клетки. Об этом свидетельствует процесс разъединения контактирующих клеток, который совершается следующим образом. Вокруг зоны контакта на поверхности клеток образуются микрошипы и ламеллоподии, т.е. выпячивания плазматической мембраны, содержащие пучки АФ, ось которых направлена перпендикулярно поверхности клетки. Силовое дистанционное действие, исходящее из этих выпячиваний, отталкивает клетки друг от друга и они расходятся. При ориентации осей пучков АФ вдоль клеточной поверхности расхождение клеток не происходит.

Биоэлектретное поле одной клетки способно влиять на расположение субклеточных элементов другой. Так, биоэлектретное поле цитоскелета одной клетки ориентирует цитоскелет другой клетки, находящейся на расстоянии до 1 мм.

Таким образом, из рассмотрения описанных явлений следует, что биоэлектретное поле является движущей силой клеточной биомеханики.

4.     БИОЭЛЕКТРЕТНОЕ ПОЛЕ – СИЛОВОЙ ФАКТОР ИОННЫХ И ВОДНЫХ НАСОСОВ

Для жизнедеятельности клетки необходимы трансмембранная разность электрических потенциалов, стационарная концентрация ряда ионов в цитоплазме и непрерывный водный обмен. Молекулярной основой этих свойств является ионные и водные насосы клетки.

Насосы – это устройства, которые, затрачивая энергию, осуществляют напорное движение жидкости. Ионные насосы клетки осуществляют движение ионов против градиента напряженности электрического поля, источником которого является асимметрия ионов на противоположных сторонах плазматической мембраны (далее мембранное поле). Обязательным условием при этом является фосфорилирование белковых молекул их структуры, благодаря которому они генерируют биоэлектретное поле.

Напряженность мембранного поля в плазматической мембране толщиной около 1,0 нм имеет значения порядка 10⁷ В/м. Ионный насос осуществляет движение ионов против градиента напряженности мембранного поля благодаря тому, что ему присущее биоэлектретное поле, напряженность которого в зоне радиусом 1,0 нм может достигать значений порядка 10¹⁰ В/м, т.е. на три порядка выше напряженности мембранного поля. (См. главу 2.) Следовательно, движущей силой ионов в ионных насосах клетки является биоэлектретное поле белковых молекул их структуры, которое осуществляет напорное движение ионов против градиента напряженности мембранного поля.

Ведущая роль в водном обмене клетки принадлежит белкам, названных аквапоринами. Они перемещают воду в клетку и из нее против градиентов гидростатического и осмотического давлений. Необходимым условием их функционирования является фосфорилирование белковых молекул, образующих их структуру. Эти молекулы образуют в плазматической мембране клетки капиллярный тоннель, по которому движутся молекулы воды со скоростью, достигающей 10⁶ мол/с. Вектор напряженности биоэлектретного поля аквапоринов направлен вдоль тоннеля. Это является необходимым и достаточным условием для электроосмотического движения воды. Следовательно, аквапорины представляют собой электроосмотические насосы.

Таким образом, биоэлектретное поле – это силовой фактор ионных и аквапориновых насосов клетки.

5.     БИОЭЛЕКТРЕТНОЕ ПОЛЕ ЧЕЛОВЕКА

Биоэлектретное поле человека – это поле, образованное суперпозицией биоэлектретных полей клеток базального слоя эпидермиса. Измерения его напряжения в воздухе необходимо проводить в помещениях или камерах, в которых фоновое напряжение электрических полей, т.е. разность электрических потенциалов по отношению к потенциалу земли, не превышает 10 мВ. При этом обязательным условием является нейтрализация на коже испытуемых людей трибоэлектрических зарядов.

С соблюдением указанных условий в группе практически здоровых людей, находящихся в состоянии спокойного бодрствования, проведено 1380 исследований и определены средние значения напряженности биоэлектретного поля в зоне 6 см от поверхности следующих областей тела: лицо напряженность поля 100 В/м, грудная клетка слева – 23 и справа – 29, живот слева – 44 и справа – 38, левое бедро – 42 и правое – 36. В этой группе испытуемых, состоящей из 32 мужчин и 14 женщин в возрасте от 16 до 43 лет, по признаку максимальных значений напряженности поля выявлены лица с относительно низкой напряженностью поля до 150 В/м, средней до 600 В/ м и высокой свыше 600 В /м.

Физиологическим процессам, протекающим в организме человека, свойственны биологические ритмы. С целью выявления суточного ритма физиологической активности у 12 практически здоровых мужчин в возрасте 18 – 20 лет в состоянии спокойного бодрствования исследована динамика величины напряженности биоэлектрического поля над следующими областями тела: лицо, грудная клетка, живот, затылок, спина и поясница. Исследования проводились с интервалом один-полтора часа в течение с 9 до 22 часов. В результате более 1200 исследований выявлено, что над всеми указанными областями тела величина напряженности претерпевает значительные колебания с пиком, который приходится на 11, 12 или 13 часов.

Значительные изменения величины напряженности биоэлектретного поля человека наблюдаются у людей при психоэмоциональных напряжениях, которые обусловлены переходом от нормального питания к лечебному голоданию. У 13 женщин и 6 мужчин, проходящих курс разгрузочно-диетической терапии, обнаружено, что в период 1 – 6 дней с момента начала голодания наблюдается сильное возрастание напряженности биоэлектретного поля, длящееся до 3 дней. Весьма значительное повышение напряженности поля отмечено у 17 из 19 человек. При этом напряженность поля у некоторых людей достигала 1000 В/м и многократно превышала исходную величину напряженности до начала голодания.

Во время физических напряжений изменяются как величина, так и знак напряженности биоэлектретного поля.

Использование содержимого монографии допустимо при условии указания ее названия и автора.

Кулин Евгений Трофимович

Электронный адрес: E.T.Kulin@gmail.com

Хейворд, США 19 августа 2012